地鐵信號智能運維管理子系統工程設計

趙文天

（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100045）

1 概述

隨著地鐵運營里程的快速增加，在運的信號系統和設備數量不斷增多，給信號運維部門帶來巨大維保壓力，加之既有設備隨著使用年限增加，故障率增高，更加大了運維負擔；傳統維護監測系統在線監測數據種類和數量有限，覆蓋面小，標準化和集成度較低，且故障多以報警為主，不能實現設備故障診斷和故障預測等智能分析；目前的運維管理水平多停留在紙面和口頭，缺乏信息化、流程化和標準化，難以適應遠期運維壓力的增加。由此，對信號系統維護技術提升和管理水平提高的需求日益迫切。

2020年，中國城市軌道交通協會發布《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》，綱要提出的智慧城軌建設藍圖將“智能運維安全”作為八大體系之一。由此可見，智能運維是今后城軌運維技術發展的重要方向。[1-2]

目前，已有較多文章討論線網級多專業智能運維平臺的技術方案[3-4]，但是方案多停留在系統架構層面，對各個專業的智能運維具體需求分析較少，難以達到信號系統初步設計和用戶需求書的編制需求；同時，一些規劃地鐵數量不多的城市短時間內對線網級智能運維平臺需求不大，又需要在信號等保障運營安全的關鍵系統上增加智能化功能以加強維護維修，提高運維和管理水平。

綜上，本文重點研究單線路信號系統配置智能運維管理子系統的工程設計方案。

2 工程設計

信號智能運維管理子系統并非成熟系統，正處于快速發展階段，目前并無針對性的國家及行業標準進行規范。因此本文結合北京、上海[5]、成都、長春等地智能運維系統的工程實踐經驗，依據規劃綱要的遠景目標，結合行業最新技術發展，將系統功能設計為4大模塊如圖1所示，即維護監測、智能分析、運維管理和移動端智能運維。系統構成如圖2所示。

2.1 維護監測

《鐵路信號集中監測系統技術條件》（QCR 442-2020）對傳統維護監測的內容和功能做出規定，該規范僅包含常規監測功能[6-8]，本文不再贅述。

智能運維對傳統維護監測的補充增強主要體現在：

1）傳統維護監測僅監測轉轍機動作功率、電流、表示電壓等，但是由于轉轍機控制電路的復雜性，依據以上監測信息，難以發現道岔動作過程中各個繼電器的故障。智能運維通過增加對道岔繼電器動作時序采集，實現電路動作回放和時序邏輯分析，從而對道岔故障精確定位，提高故障排查效率。

2）傳統維護監測僅對信號設備室環境溫濕度進行監測，難以反映每個機柜內部實際溫濕度情況，且不滿足信息安全技術網絡安全等級保護三級對設備室物理環境的要求[9]。智能運維增加對每個機柜內部溫濕度的監測，具體定位到溫濕度異常的機柜，并通過設置水浸傳感器、漏水檢測線等對設備室關鍵漏水點進行監測，滿足三級等保的規范要求。

3）傳統維護監測不關注信號各子系統的服務器/工控機物理硬件的性能是否出現問題，也不關注操作系統底層軟件的故障報警，因此難以預警服務器硬件和底層軟件的故障。智能運維通過增加對工控機關鍵硬件，如CPU、內存、I/O等性能監測，增加對底層軟件，如文件系統、網絡系統、數據庫系統、Java虛擬機(JVM)及C#公共語言運行時(CLR)的異常監測，對于滿負荷、超負荷運行以及性能下降等故障提前預警。

4）此外，通過增加對各個信號子系統設備的監測項目，將原來分散的數據通過系統組織結構圖、關系圖等圖形化方式整合，從而為維護人員提供更加全面、詳細、種類豐富的監測信息，實現集成可視化監測，也為大數據、人工智能、云計算等數據科學技術在信號智能運維領域的應用提供更加強大的數據支撐。

2.2 智能分析

傳統維護監測僅實現故障報警，不能實現設備狀態的智能分析和預測，對維護人員的輔助作用差，導致維修效率低。智能運維通過數據科學手段分析采集數據，提示設備狀態處于健康、故障或亞健康狀態，如圖3所示，并給出維修建議。

智能分析主要包括兩個方面：故障智能分析和綜合智能分析。

2.2.1 故障智能分析

1）故障診斷

系統診斷設備由健康狀態轉變為故障狀態，自動定位故障處所和原因，以故障原理圖、位置圖方式顯示故障，診斷結果包含故障位置、故障狀態、故障維護建議等，輔助維護人員實現故障修。

2）故障預測

采用大數據等分析方法，實現對設備歷史運行趨勢的跟蹤及分析。當運行趨勢呈現劣化或異常過程，特性指標偏離標準值或經驗值，設備由健康狀態轉變為亞健康狀態，系統進行異常報警，及時提示維護人員干預，系統給出維修策略和維修建議，以輔助維護人員實現狀態修。對于無需短時間內盡快處置的亞健康狀態設備，系統給出維修計劃，輔助維護人員實現計劃修，避免欠維修和過維修。

2.2.2 綜合智能分析

1）指標統計分析

通過對運維數據的多維度統計性挖掘分析，識別各設備的同比環比、關聯對比等差異情況，為后續的決策支持提供數據支撐。如按時間序列的故障次數統計分析圖表、按照設備樹形結構展開的故障次數統計分析圖表、重復故障現象/設備/原因的統計分析圖表、各類輸出數據結果的同比及環比分析等。

2）人員行為分析

通過對運營、維護人員的行為進行數據量化的采集、跟蹤及分析，挖掘人員行為的規律特點以及在運營、維修場景下該行為規律可能的潛在影響及制約，從而優化行為規范，實現運營、維修的效率提升。如維護人員檢修質量及效率分析、故障處置及閉環監督行為分析、日常系統操作習慣分析等。

2.3 運維管理

地鐵信號系統的安全運行離不開對設備的維護維修，運維管理是保證維護維修工作高效可靠進行的關鍵。當前信號系統運維管理模式，包括計劃修和故障修。計劃修一般是針對信號系統各設備原理和特點，制定相應的養護、小修、中修、大修、更換計劃，維護人員按照計劃對信號設備的電氣特性、機械特性、配線、功能、外觀、安裝等實施維護作業；故障修是針對突發故障，一例一案應急維修處置。信號設備維護方式分為自主維護和委外維護。信號維修管理機構一般設置在車輛段或控制中心，信號工班根據線路特點設置于正線、控制中心、車輛段、停車場等地點，并在車輛段設置綜合檢修、ATC檢修等專門工班。

信號維護人員可依托信息化系統進行維修作業管理，但設備、監測和維修信息人工錄入，僅在信息化系統內部流轉，不與信號系統接口，難以實現設備狀態更新、故障報警記錄和維修作業成果信息同步，信息傳遞脫節，難以形成有效閉環管理；甚至部分維護環節依靠文字記錄和口頭傳達，過程復雜繁瑣，需要投入較大人力成本，管理效率低，容易出現錯漏，難以追溯責任。

智能運維通過對設備和管理的信息化、流程化和標準化，避免信息孤島的形成，打通設備信息、監測信息與維修信息，在信息融合的基礎上，建立標準流程，創新管理手段，構建高效的信號運維管理系統，提高信號運維管理的信息化、自動化和智能化水平。運維管理主要功能設計如下。

2.3.1 全生命周期設備管理（設備信息）

1）設備臺賬管理

設備臺帳包括工程竣工后交接的所有設備、備品備件、專用測試設備、儀器儀表、工具等，按照運營單位資產管理碼進行編號并粘貼或安裝帶二維碼信息的標簽或銘牌，并在管理系統中記錄所屬系統、設備名稱等全生命周期設備履歷信息，實現信號設備的信息化管理。

2）設備更新管理

系統跟蹤管理設備生命周期，累計設備的運行時間或動作次數，作為預告設備生命周期和更換設備的依據，以便提示設備更新。

3）備品備件管理

根據設備臺賬中備品備件子賬目，分析庫存及消耗，針對備件或搶險物資處于庫存預警或有大中修計劃時，動態分析采購數量。系統累計備品備件的存儲時間，當存儲時間接近存儲測試周期時產生預告，避免備品備件失效。系統應將備品備件與在線設備臺帳相關聯，當備件在現場替換后更新設備履歷。

4）技術資料管理

技術資料包括交付運營管理的全部竣工資料及在運營過程中發生的變更技術文件，提供查詢、調閱和更新功能，實現技術資料的全生命周期管理。

2.3.2 故障/異常報警管理（監測信息）

系統能查看報警的總體情況，具備歸類統計、下載及打印功能，支持按選擇時間段、設備類型、報警類型等多維度查詢功能，便于維護人員查詢故障報警記錄；具備設置設備停用、設備不合格及設備長期盯控的功能。

2.3.3 維修管理（維修信息）

1）維修計劃管理

根據維護管理需要，系統自動形成各年的年修計劃并可自動分解生成每月和每周的維護計劃。綜合每周的維護計劃和維修工區班制以及規定的維護人員的班次等因素，自動生成日檢計劃。系統根據維修計劃生成維修作業工單。

2）維修作業管理

維修作業工單包括巡檢、日檢、周檢、月檢、故障應急處理、配合作業、臨時作業等工單，系統自動生成或人工發起工單，通過移動端或智能運維工作站推送給相應工區維護人員。工單內提供維修參考步驟及說明，可輸入文字、拍照、錄像反饋維修結果。

3）維修成本管理

系統根據維修作業所包括的任務工時計算累計人力工時，并結合投入的材料、機械、設備等，核算維修作業成本。

2.4 移動端智能運維

在傳統維護監測系統中，維護人員去現場前只能通過維修工區工作站手動下載或用紙筆記錄設備故障信息，攜帶專用筆記本和維修工具在設備現場維修和在地測試，無法實現通過移動端（手機端或專用平板電腦）設備實時獲取設備狀態、監測維修效果、獲取技術支持等，維修作業效率低，存在返工的可能。

智能運維系統通過接入公網移動信號，維護人員利用配置的移動端設備智能運維APP，如圖4所示，實現移動端在線智能運維。移動端智能運維主要功能設計如下。

1）設備狀態查詢：可通過點選設備示意圖或掃描現場實際設備二維碼，查詢全線設備維護監測的實時數據、故障/異常報警及智能分析的結果。

2）設備臺賬管理：現場設備拆除、更換、軟件升級等設備臺賬更新維護。

3）維修作業管理：工單的查詢、填報[10]、交接等。

4）遠程維護支持：廠家技術支持人員與維護人員音視頻雙向實時溝通聯系，在視頻畫面中標注指導、推送多媒體信息；經維修管理人員授權，廠家技術支持人員可遠程獲得系統數據，協助現場故障處理。

5）技術資料查詢：設備安裝檢修視頻、技術圖紙、運維手冊、變更文件等的調閱。

3 應用效果分析

以某市地鐵為例，采用智能運維管理子系統后，統計道岔轉轍機平均故障間隔（MCBF）、車載設備運營可靠度、主要故障頻率減少情況，如圖5～7所示。

轉轍機MCBF及車載設備運營可靠度顯著增加，主要設備故障頻率有較明顯降低。經統計，信號系統故障平均修復延時由20 min降低至5～10 min。

參考某市地鐵統計數據[11]，智能運維在降低運維人員投入方面也有較大作用，如圖8所示。

由于各地信號智能運維項目落地時間較短，應用項目較少，能獲得的統計數據有限。但從以上有限的數據中可以得出，利用智能運維管理子系統，維護人員可以提前預知故障隱患，對已發生故障進行定位和診斷，機器智能分析故障數據輔助甚至代替人工故障分析，從而降低故障發生頻率，減少信號維護人員投入，使信號系統運維的信息化、自動化和智能化水平大幅提高。

4 結語

智能運維技術在信號系統的研究和應用是近幾年新的技術發展方向。本文提出對單線路信號系統配置智能運維管理子系統的工程設計，結合北京、上海、成都、長春等地工程實踐經驗，較為全面地設計系統功能和構成，應用效果良好，信號系統運維的信息化、自動化和智能化水平大幅提高。本文為今后軌道交通信號系統初步設計、用戶需求書編制以及線網級智能運維平臺信號方案細化提供參考，也為軌道交通智能運維系統相關標準的形成盡綿薄之力。